CN112178695A - 阻尼器、包括阻尼器的燃烧器组件及制造阻尼器的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮组件（1）的燃烧器组件（3）的阻尼器设有：由相应的阻尼本体（31、34）限定的至少两个阻尼容积（32、35）；阻尼容积（32、35）流体连通地互连；连接两个阻尼容积（32、35）的至少一个穿孔连接板（36）；至少一个穿孔端板（38），其构造成将两个阻尼容积（32、35）中的至少一个与燃烧器组件（3）的燃烧室（16；14）连接；穿孔连接板（36）和穿孔端板（38）设有多个开口（42）；开口（42）的尺寸根据以下公式设定成以便在低斯德鲁哈尔状态下操作：(ɷ·R_H/Ub)<0.5，其中：•ɷ是根据以下关系式ɷ=2πf与要阻尼的频率相关的角频率；•R_H是开口（42）中的一个的等效半径；•U_b是通过开口（42）中的一个的流速。

Description

阻尼器、包括阻尼器的燃烧器组件及制造阻尼器的方法

相关申请的交叉引用

本专利申请请求享有2019年7月1日提交的欧洲专利申请第19183732.7号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮组件的燃烧器组件的阻尼器，并且涉及包括所述阻尼器的燃气涡轮的燃烧器组件。具体而言，本发明涉及用于顺序燃烧器组件的阻尼器。

本发明还涉及一种制造用于燃烧器组件的阻尼器的方法。

背景技术

众所周知，燃气涡轮功率设备包括压缩机、燃烧器组件和涡轮。

具体而言，压缩机供有空气，并且包括压缩所供应的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入气室，即由外壳体界定的封闭容积，并从那里进入燃烧器组件。在燃烧器组件中，压缩空气和至少一种燃料燃烧。

产生的热气离开燃烧器组件，并在涡轮中膨胀以做功。

为了实现高效率，在燃烧期间需要高温。然而，由于这些高温，产生了高的NOx排放。

为了减少这些排放并增加操作灵活性，可使用顺序燃烧器组件。

通常，顺序燃烧器组件包括两个串联的燃烧器：第一级燃烧器和第二级燃烧器，第二级燃烧器沿气流布置在第一级燃烧器的下游。

当然，也可使用具有单个燃烧级的燃烧器组件。

在操作期间，燃烧器组件内部可能发生压力振荡，从而引起机械损坏并限制操作状态。实际上，大多数燃烧器组件必须以贫模式操作才能符合污染排放。在此操作模式期间，烧嘴火焰对于流动扰动极为敏感，且可容易地与燃烧器的动态耦合而导致热声不稳定性。出于此原因，通常，燃烧器组件设有阻尼装置，以便阻尼这些压力振荡。

已知的阻尼器包括用作谐振器容积的一个阻尼器容积，以及将阻尼器容积流体地连接到燃烧器组件的至少一个内室的颈部。

然而，这些阻尼器没有足够的灵活性并且不能阻尼较宽的频率范围。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于燃烧器组件的阻尼器，从功能和构造两者的观点来看，该阻尼器是灵活、简单且经济的。

根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮组件的燃烧器组件的阻尼器，该阻尼器包括：

由相应的阻尼本体限定的至少两个阻尼容积；阻尼容积流体连通地互连；

连接两个阻尼容积的至少一个穿孔连接板；

至少一个穿孔端板，其构造成将两个阻尼容积中的至少一个与燃烧器组件的燃烧室连接；

穿孔连接板和穿孔端板设有多个开口；开口的尺寸根据以下公式设定成以便在低斯德鲁哈尔（Strouhal）状态下操作：

(ɷ·R_H / Ub) < 0.5

其中：

ɷ是根据以下关系式ɷ=2πf与要阻尼的频率相关的角频率；

R_H是开口（42）中的一个的等效半径；

U_b是通过开口（42）中的一个的流速。

根据本发明的阻尼器的结构是灵活的并且也可为紧凑的。

可通过阻尼不同频率的可能性来给出灵活性，因为可取决于需要适当调整阻尼容积的尺寸。

换句话说，由于根据本发明的阻尼器，获得了燃烧动力的宽带阻尼。

根据本发明的变型，阻尼本体中的至少一个包括至少一个入口，该至少一个入口构造成与至少一个空气源流体连通。以此方式，空气有助于冷却阻尼器本体并避免热气吸入，热气吸入会使阻尼器本体失谐并可能引起对阻尼器本体的损坏。

根据本发明的变型，至少两个阻尼容积并联地互连。

根据本发明的变型，至少两个阻尼容积串联地互连。

根据本发明的变型，阻尼容积中的至少一个是四分之一波管。

例如，阻尼容积中的至少一个的尺寸根据以下公式设定：

f = c/4(L +δ)

其中

f是要阻尼的频率

L是阻尼器本体限定的相应腔的轴向长度

c是声速

δ是末端校正，其允许考虑刚好在开口外部的容积端部处的声流惯性。

根据本发明的变型，阻尼容积中的至少一个是亥姆霍兹共振器。

例如，阻尼容积中的至少一个的尺寸根据以下公式设定：

f=(c/2π)·(A/(V·(l+2*δ')))^1/2

其中

f是要阻尼的频率

c是声速

A是所有开口的等效表面积

V是阻尼容积

l是与阻尼容积联接的穿孔板的厚度

δ'是末端校正，其允许考虑开口外部和内部的声流惯性。

根据本发明的变型，阻尼器包括：第一阻尼本体，其沿延伸轴线延伸并且具有第一轴向长度；以及第二阻尼本体，其沿延伸轴线延伸并且具有第二轴向长度；第一轴向长度和第二轴向长度之间的较大轴向长度与第一轴向长度和第二轴向长度之间的较小轴向长度之间的比率基本上是整数，优选为偶数。

本发明的另一个目的在于提供一种用于燃气涡轮设备的可靠燃烧器组件，其中明显地减小了声振荡。

根据该目的，本发明涉及根据权利要求9的燃烧器组件。

本发明的还有另一个目的在于提供一种简单且经济的方法来用于制造用于燃气涡轮的燃烧器组件的阻尼器。根据此目的，本发明涉及一种根据权利要求11的用于制造阻尼器的方法。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图示出了一些非限制性实施例，在附图中：

-图1是燃气涡轮组件的示意图；

-图2是图1的燃气涡轮组件的燃烧器组件的细节的侧视示意图，其中为清楚起见，部分呈截面且部分已移除；

-图3是根据本发明的燃烧器组件的细节的前视示意图，其中为清楚起见，部分呈截面且部分已移除；

-图4是根据本发明的用于燃烧器组件的阻尼器的侧视示意图，其中为清楚起见，部分呈截面且部分已移除；

-图5表示与在燃烧器组件中使用的根据本发明的阻尼器的吸收特性有关的图。

具体实施方式

在图1中，参考标记1表示燃气涡轮组件。燃气涡轮组件1包括压缩机2、顺序燃烧器组件3和涡轮5。压缩机2和涡轮5沿主轴线A延伸。

在使用中，在压缩机2中压缩的气流与燃料混合并在顺序燃烧器组件3中燃烧。然后，燃烧的混合物在涡轮5中膨胀，并通过轴6转换成机械功率，轴6连接到交流发电机（未示出）。

顺序燃烧器组件3包括沿气体流动方向G顺序布置的第一级燃烧器8和第二级燃烧器9。换句话说，第二级燃烧器9沿气体流动方向G布置在第一级燃烧器8的下游。

优选地，在第一级燃烧器8和第二级燃烧器9之间布置混合器11。

第一级燃烧器8限定了第一燃烧室14，第二级燃烧器9限定了第二燃烧室16，而混合器11限定了混合室17。

第一燃烧室14、第二燃烧室16和混合室17流体连通，并由沿纵轴线B延伸的衬套18（见图2，其中衬套18是部分可见的）限定。

参考图2，在第二级燃烧器9的第二燃烧室16中布置有供应组件20。

供给组件20包括中心本体21，该中心本体设有多个指状件22（也在图3中示意性地示出）。

指状件22优选地由流线形的本体限定，流线形的本体中的每个均设有多个喷嘴24，并且供应有空气和至少一种燃料。

参考图2和图3，第二级燃烧器9包括至少一个阻尼器30。

在此处公开和示出的非限制性示例中，第二级燃烧器9包括多个阻尼器30（在此处示出的示例中，阻尼器为十六个）。使用多于一个阻尼器30给予增加阻尼幅度的可能性。

优选地，阻尼器30围绕供应组件20的中心本体21布置。更优选地，阻尼器30围绕中心本体21均匀地分布。

参考图2和图3，阻尼器30优选地联接至围绕供应组件20的中心本体21的面板26。优选地，面板26还设有沿面板26均匀分布的多个冷却孔25。

应当理解，阻尼器30也可布置在燃烧器组件3的另一部分中。

例如，阻尼器30可联接至衬套18，优选地联接至衬套18的面向第二燃烧室16的部分。阻尼器30还可布置成以便面朝第一燃烧室14。

参考图4，阻尼器30沿延伸轴线C延伸，并且包括具有限定第一阻尼容积32的第一腔的第一阻尼器本体31、具有限定第二阻尼容积35的第二腔的第二阻尼器本体34、连接第一阻尼容积32和第二阻尼容积35的穿孔连接板36，以及至少一个穿孔端板38。穿孔端板38构造成将第一阻尼容积32与阻尼器30的外部连接，其与燃烧器组件3的第一燃烧室14和/或第二燃烧室16流体连通。

第一阻尼容积32和第二阻尼容积35由穿孔连接板36流体连通地互连。

在此处公开和示出的非限制性示例中，第一阻尼容积32和第二阻尼容积35串联地互连。

根据未示出的变型，第一阻尼容积32和第二阻尼容积35并联地互连。

在此处公开和示出的非限制性示例中，第二阻尼器本体34设有至少一个入口40，该入口构造成与至少一个空气源流体连通。具体而言，入口40连接到从压缩机2接收空气的气室（在附图中不可见）。在此处公开和示出的非限制性示例中，第二阻尼器本体34设有布置在第二腔的底部处的两个或更多个入口40。

在使用中，空气通过入口40进入，流入第二阻尼容积35，通过穿孔连接板36，流入第一阻尼容积32，并通过穿孔端板38流出而进入燃烧器组件3的第一燃烧室14和/或第二燃烧室16。

空气有助于冷却第一阻尼器本体31和第二阻尼器本体34，并避免热气吸入，热气吸入会使第一阻尼器本体31和第二阻尼器本体34失谐，并可能引起对第一阻尼器本体31和第二阻尼器本体34的损坏。优选地，入口40布置在第二阻尼器本体34的相对侧上。

穿孔连接板36和穿孔端板38具有相似的结构。穿孔连接板36和穿孔端板38均设有多个开口42。

在此处公开和示出的示例中，开口42具有圆形形状。然而，根据未示出的变型，开口的形状可为不同的，例如多边形或椭圆形或长方形等。

穿孔连接板36和穿孔端板38都设计成以便在低斯德鲁哈尔状态下操作。斯德鲁哈尔状态由斯德鲁哈尔数的值限定。

此处和下文中，“低斯德鲁哈尔状态”是指低于0.5的斯德鲁哈尔数。

为了在低斯德鲁哈尔状态下操作，穿孔连接板36和穿孔端板38的开口42根据以下条件设定尺寸：

(ɷ·RH / Ub) < 0.5

其中

ɷ是根据以下关系式ɷ=2πf与要阻尼的频率相关的角频率；

R_H是开口中的一个的等效半径，其计算为R_H = A/P，其中A是流的截面面积，且P是截面的润湿周长（在此处公开和示出的示例中，液压半径是圆形开口42的半径）；

Ub是通过开口中的一个的流的偏流速度。

在使用中，穿孔端板38直接面对第一燃烧室14和/或第二燃烧室16，且因此设计成抵抗高温。因此选择穿孔端板38的厚度和材料以保证高可靠性。

穿孔连接板36也经受高温，尽管是以比穿孔端板38少的方式。

在此处公开和示出的非限制性示例中，穿孔连接板36和穿孔端板38由相同的材料制成。例如，穿孔连接板36和穿孔端板38由耐高温材料制成，例如，超级合金如哈司特镍合金X。

在此处公开和示出的非限制性示例中，穿孔连接板36和穿孔端板38具有不同的厚度。由于面对燃烧室，穿孔端板38优选地比穿孔连接板36厚。

参考图3，开口42基本上根据十字网格图案布置。备选地，开口42可基本上根据正方形网格图案或根据矩形网格图案或其它图案布置。

在此处公开和示出的非限制性示例中，穿孔连接板36的网格图案与穿孔端板38的网格图案相同。以此方式，穿孔连接板36的开口42与穿孔端板38的开口42对准。

然而，穿孔连接板36和穿孔端板38的网格图案可彼此不同，并且穿孔连接板36的开口42可与穿孔端板38的开口42未对准。当穿孔连接板36和穿孔端板38之间的距离小于阈值时，这种解决方案是有用的。换句话说，当第一腔的长度L1小于阈值时，穿孔连接板36的开口42与穿孔端板38的开口42未对准。

参考图4，穿孔连接板36和穿孔端板38的开口42布置成以便垂直于相应的穿孔连接板36或穿孔端板38沿其延伸的平面a₁、a₂。

第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔的尺寸设定成以便阻尼器30具有期望的阻尼效果。

在此处公开和示出的非限制性示例中，第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔是圆柱形的。根据未示出的变型，第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔也可为棱柱形的，或可具有基于燃烧器组件3中可用空间调整的形状。

第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔设计为四分之一波管。

第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔的尺寸例如根据以下公式（四分之一波管公式）设定：

f = c/4(L +δ)

其中

f是要阻尼的频率

L是由阻尼器本体限定的相应腔的轴向长度（第一腔为L1，第二腔为L2）

c是声速

δ是末端校正，其允许考虑刚好在开口外部的容积端部处的声流惯性。

根据未示出的变型，可根据上述四分之一波管公式的推导来设定尺寸。

备选地，第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔设计成以便为亥姆霍兹共振器。

第一阻尼器本体31的第一腔和第二阻尼器本体34的第二腔的尺寸例如根据以下公式（亥姆霍兹公式）设定：

f=(c/2π)·(A/(V·(l+2*δ')))^1/2

其中

f是要阻尼的频率

c是声速

A是相应的穿孔板（即针对第二腔设定尺寸的穿孔连接板36和针对第一腔设定尺寸的穿孔端板38）的所有开口的等效表面积

V是腔的容积

l是联接到阻尼容积的相应穿孔板的厚度（即，针对第二腔设定尺寸的穿孔连接板36的厚度l_c和针对第一腔设定尺寸的穿孔端板38的厚度l_e）

δ'是末端校正，其允许考虑开口外部和内部的声流惯性。

根据未示出的变型，可根据上述亥姆霍兹公式的推导来设定尺寸。

设定尺寸优选地用四分之一波公式来进行，因为它与相应穿孔板的特征无关。

然而，如果相应的穿孔板的厚度大于阈值和/或如果由于燃烧器组件3中的几何约束而根据四分之一波公式获得的腔的长度不可接受，则使用亥姆霍兹公式设定尺寸。

优选地，第一阻尼器本体31的第一腔的尺寸设定成阻尼第一频率，而第二阻尼器本体34的第二腔的尺寸设定成阻尼不同于第一频率的第二频率。

这样设定尺寸和设计的阻尼器30能够阻尼宽频带。实际上，阻尼器30能够阻尼至少三个频率：一个频率取决于第一腔的尺寸，一个频率取决于第二腔的尺寸，且一个频率取决于第一腔加上第二腔的尺寸。

具体而言，第一阻尼器本体31的第一腔的轴向长度L1与第二阻尼器本体34的第二腔的轴向长度L2之间的关系影响阻尼器30的响应。

实际上，反射系数主要由两个腔一起的本征模（即L2 + L1）驱动，而响应则由每个腔的尺寸L1和L2进行调制。

因此，根据需要设定第一腔和第二腔的长度L1和L2的尺寸。所述长度基本上可根据三种可能性来设定尺寸：L2＝L1，L2＞L1和L2＜L1。

如果需要在频带上进行均匀阻尼，则可选择相等长度L1和L2（L2 = L1）。

当L2不同于L1时，如果长度之间的比率（如果L2＞L1则为L2/L1，或如果L2＜L1则为L1/L2）基本上是整数，则可实现模式的一致性。

模式的一致性导致一致性频率下的更高阻尼。

由于阻尼器30是宽带的，所以即使比率不是正好整数，阻尼器30的响应也不会过度变化。例如，如果L2/L1＝3.1而不是3，则阻尼器30的响应是相似的。因此，将该比率限定为“基本上整数”。

具体而言，如果比率L2/L1是偶数整数（即，L2> L1），则模式的一致性介于两个腔一起的本征模（即L2 + L1）和第一腔的本征模（L1）之间，如由图5中的实线所示。这种解决方案导致调制的中心的高阻尼。

如果比率L1/L2是偶数整数（即L2 <L1），则模式的一致性介于两个腔一起的本征模（即L2 + L1）和第二腔的本征模（L2）之间。这样的解决方案会导致如由图5中的虚线所示的阻尼，在反弹序列的边缘，阻尼会更高。

在图5中，示出了在燃烧器组件3中使用的具有上述结构的阻尼器30的反射系数模数和相位的图。

图5关于反射系数模数和相位的趋势表明，阻尼器30能够阻尼宽频带。图5中所示的趋势与倒置的长度L1和L2的值有关。换句话说，虚线表示其中L2＞L1的解决方案，且实线表示该长度倒置（即，L2＜L1）的解决方案。

如果比率L2/L1或比率L1/L2是奇数整数，则模式的一致性介于第一腔的本征模L1和第二腔的本征模L2之间。

随着模式一致性的增加，阻尼和反射系数主要由2个腔一起的本征模（即L2 + L1）驱动，在第一腔或第二腔的本征模具有与两个腔一起的本征模（即L2 + L1）相同的频率时，可最大程度地提高阻尼。

最后，清楚的是，可对本文所述的阻尼器和燃烧器组件进行修改和变型，而不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。

Claims (14)

1.用于燃气涡轮组件（1）的燃烧器组件（3）的阻尼器，包括：

-由相应的阻尼本体（31、34）限定的至少两个阻尼容积（32、35）；所述阻尼容积（32、35）流体连通地互连；

-连接所述两个阻尼容积（32、35）的至少一个穿孔连接板（36）；至少一个穿孔端板（38），其构造成将所述两个阻尼容积（32、35）中的至少一个与所述燃烧器组件（3）的燃烧室（16；14）连接；

所述穿孔连接板（36）和所述穿孔端板（38）设有多个开口（42）；所述开口（42）的尺寸根据以下公式设定成以便在低斯德鲁哈尔状态下操作：

(ɷ·R_H / Ub) < 0.5

其中：

•ɷ是根据以下关系式ɷ=2πf与要阻尼的频率相关的角频率；

•R_H是所述开口（42）中的一个的等效半径；

•U_b是通过所述开口（42）中的一个的流速。

2.根据权利要求1所述的阻尼器，其中，所述阻尼本体（31、34）中的至少一个包括至少一个入口（40），所述至少一个入口（40）构造成与至少一个空气源流体连通。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器，其中，所述至少两个阻尼容积（32、35）并联地互连。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器，其中，所述至少两个阻尼容积（32、35）串联地互连。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器，其中，所述阻尼容积（32、35）中的至少一个是四分之一波管。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器，其中，所述阻尼容积（32、35）中的至少一个是亥姆霍兹共振器。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器，包括：第一阻尼本体（31；34），其沿延伸轴线（C）延伸并且具有第一轴向长度（L1；L2）；以及第二阻尼本体（34；31），其沿延伸轴线（C）延伸并且具有第二轴向长度（L2；L1）；所述第一轴向长度（L1；L2）和所述第二轴向长度（L2；L1）之间的较大轴向长度（L1、L2；L2、L1）与所述第一轴向长度（L1；L2）和所述第二轴向长度（L2；L1）之间的较小轴向长度之间的比率（L1/L2；L2/L1）基本上是整数，优选为偶数。

8.用于燃气涡轮组件（1）的燃烧器组件，包括至少一个燃烧室（14；16）和至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的阻尼器（30）。

9.燃气涡轮组件，包括压缩机（2）、燃气涡轮（5）和根据权利要求8所述的燃烧器组件（3）。

10.用于制造用于燃气涡轮组件（1）的燃烧器组件（3）的阻尼器（30）的方法，包括以下步骤：

-提供至少两个阻尼容积（32、35），其由沿相应的延伸轴线（C）延伸的相应的阻尼本体（31、34）限定；所述阻尼容积（32、35）流体连通地互连；

-提供至少一个穿孔连接板（36），其具有多个开口（42）并且连接所述两个阻尼容积（32、35）；

-提供至少一个穿孔端板（38），其具有多个开口（42）并且构造成将所述两个阻尼容积（32、35）中的至少一个与所述燃烧器组件（3）的燃烧室（16；14）连接；

其中提供至少一个穿孔连接板（36）的步骤包括根据以下公式设定所述开口（42）的尺寸以在低斯德鲁哈尔状态下操作：

（ɷ·R_H / Ub）< 0.5

其中：

ɷ是根据以下关系式ɷ=2πf与要阻尼的频率相关的角频率；

R_H是所述开口（42）中的一个的等效半径；

U_b是通过所述开口（42）中的一个的流速。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，提供至少两个阻尼容积（32、35）的步骤包括：设定第一阻尼器本体（31）的第一腔的尺寸以阻尼第一频率；以及设定第二阻尼器本体（34）的第二腔的尺寸以阻尼不同于所述第一频率的第二频率。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，提供至少两个阻尼容积（32、35）的步骤包括将所述两个阻尼容积（32、35）中的至少一个的尺寸设定成四分之一波管。

13.根据权利要求10至权利要求12中任一项所述的方法，其中，提供至少两个阻尼容积（32、35）的步骤包括将所述两个阻尼容积（32、35）中的至少一个的尺寸设定成亥姆霍兹共振器。

14.根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的方法，其中，提供至少两个阻尼容积（32、35）的步骤包括设定具有第一轴向长度（L1；L2）的第一阻尼器本体（31；34）的第一腔以及具有第二轴向长度（L2；L1）的第二阻尼本体（34；31）的第二腔的尺寸，以便所述第一轴向长度（L1；L2）和所述第二轴向长度（L2；L1）之间的较大轴向长度（L1、L2；L2、L1）与所述第一轴向长度（L1；L2）和所述第二轴向长度（L2；L1）之间的较小轴向长度之间的比率（L1/L2；L2/L1）基本上是整数，优选为偶数。

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